唐进[1]2004年在《提高风力机叶型气动性能的研究》文中研究表明提高风力机叶型气动性能是发展大型风力发电设备的重要需求。本文针对改善风力机叶型气动性能这一问题,在风力机专用新叶型气动性能研究、利用定常吸气和振荡射流两种主动控制技术增加叶型升力和推迟失速等两个方面进行了数值和实验研究。研究工作具体内容和结论如下:本文采用有限体积法以及基于压力修正的SIMPLE方法和k-ω为基础的SST湍流模型,在大范围攻角下对FFA和NACA两个系列的7种风力机叶型绕流流动进行了数值模拟,与实验结果对比证明了数值计算的可靠性。所得到的叶型气动性能数据,为工程设计提供了依据。数值模拟结果表明,在相同的来流条件下,风力机专用叶型气动性能比传统叶型有较大提高,并且更符合风力机长叶片不同部位对叶型气动性能的要求。用于叶尖部分的薄叶型在小攻角下具有更高的升阻比;用于叶根部分的厚叶型具有更好的失速性能。通过分析,探讨了叶型的几何参数如厚度、最大厚度处距离前缘的距离等对叶型气动性能的影响规律,为我国设计和开发具有自主知识产权的风力机叶型提供了有意义的参考。通过对NACA0015翼型头部施加定常吸气或振荡射流绕流流场的数值模拟,探讨了它们增加翼型气动性能的机理。数值模拟结果表明,定常吸气通过抽走翼型吸力面附近低能流体,增加了翼型吸力面附近流体的动能,提高了翼型的升力,减小了阻力;振荡射流将吸力面稳定的低能涡变成以一定频率脱落的强制分离涡,增加了翼型吸力面流体的动能,从而提高了翼型的升力。通过数值模拟和风洞实验,探讨了定常吸气和振荡射流提高NACA0015翼型气动性能的规律,得到了施加定常吸气和振荡射流提高翼型气动性能的最有效位置区间、最优动量系数区间以及振荡射流的最优无量纲频率区间。
唐晨[2]2016年在《改善风力机叶型气动性能的数值研究》文中研究指明随着相关技术的日臻成熟,风力机日趋大型化的发展趋势对其气动性能提出更高的要求。流动控制技术是目前较为盛行的风力机叶型改型方法。本文分别采用被动流动控制以及主动流动控制对相应翼型进行优化,得出具有锯齿尾缘和施加定常吸气的风力机翼型。在3.6MW风力机叶片距叶根18m处取一个截面,通过Wortaman直接截取法,在弦长方向距后缘10%的地方截断,形成钝尾缘翼型,并在钝尾缘翼型上参照降噪风力机的锯齿尾缘取h/λ=4形成方形、叁角形锯齿尾缘。将两种翼型与原翼型进行对比,针对叁种翼型采用RNG的k-ε模型对多种工况进行数值模拟,研究不同类型锯齿尾缘对升力系数、阻力系数、力矩系数、失速性能等气动性能的影响。锯齿尾缘能够有效地提高升力,减小阻力,提高力矩系数,控制边界层分离,推迟失速。叁角锯齿在改善气动性能参数方面优于方形锯齿尾缘,但是制造较为麻烦。方形锯齿尾缘具有强度高、易加工的优点。在翼型分离点处开孔,通过额外的泵与管道系统对孔施加定常吸气,孔宽为弦长1%~10%,吸气压强为-50Pa~-500Pa。采用Spalart-Allmaras模型对多种工况进行数值模拟研究吸气工况参数对气动性能的影响。定常吸气扰动模式与流场主流的耦合能够有效改善气动性能,通过局部能量的输入,能够获得全局流动格局的改变,达到推迟失速,延缓分离,提高升力的控制效果。将稳态流场的计算结果作为初始值,在非稳态的流场中采用Spalart-Allmaras模型进行数值模拟,研究定常吸气对前缘分离涡与后缘分离涡的脱落机理、压力分布、流动分离的控制以及升阻力等方面的影响。定常吸气扰动模式与流场主流的耦合能够有效改善气动性能,提高升力,控制流动分离。定常吸气的引入使吸力面压强降低,吸力面和压力面的表面压差增大,从而提高了升力。定常吸气有效地控制了流动分离,减小了前缘分离涡与尾缘分离涡的尺寸,从而减小波动提高叶型稳定性。
徐夏[3]2011年在《叶轮机械流场计算与任意回转面叶型设计》文中指出本文重点研究垂直轴风力机的气动性能、任意回转面叶栅流动特性以及叶型优化设计。具体内容分为叁大部分:第一部分,研究垂直轴风力机的气动性能。首先采用Fluent商用软件,从物理时间步长、远场边界等影响因素考虑,得到高精度的垂直轴风力机非稳态数值计算方法。在此基础上,分析叶片数、叶片弦长、叶片安装角、叶型等几何参数的选取对垂直轴风力机非稳态流场流动特性的影响。然后基于流管理论,引入能量损失模型,研制垂直轴风力气动性能计算程序,应用该程序进行计算,所得结果与数值计算结果作比较,结果表明:两种方法的计算结果一致性良好,相互验证了计算结果的准确性。第二部分,采用Bladwin-Lomax紊流模型和有限体积法对任意曲线坐标系下N-S方程空间离散,并添加局部时间步长和残值光顺加速收敛技术,自主研制任意回转面叶栅流场计算软件。采用NUMECA软件验证了自主研发的流场计算软件计算结果的可靠性,并采用该软件分析亚声速流动和跨声速两种任意回转面叶栅的流动特性。第叁部分,基于已有优化设计平台,采用并行遗传算法和附加修改量的叶型参数化方法,研制任意回转面叶型优化设计软件。应用该软件分别对压气机亚音和超音两种叶型进行多目标优化(压比、损失和叶型面积)的优化设计,结果表明,优化叶型的气动性能均优于初始叶型,同时验证了该任意回转面叶型优化设计软件的高效性。
李会轩[4]2016年在《低速风力涡轮级叶片与波瓣混合器的改型设计》文中研究指明随着人口的增加及经济的不断增长,各国对能源的消耗也在不断上升。当前全球主要能源来自于不可再生能源,其引起的资源枯竭、气候变化等问题逐步凸显出来,调整能源结构成为了各国亟待解决的问题。风能是发展最快的可再生能源,其分布广泛,储量丰富。近些年,我国风力发电发展迅速,但在风力机专用翼型上研究较少且较晚。本文针对低速风能的利用,提出一种由单级叶片配合波瓣混合器组成的风力涡轮模型,对风力涡轮级叶片进行了设计,并对其进行了相应的改型研究,最后提出了最终改型结构,设计波瓣混合器进行整体数值计算及对比分析。本文从设计点参数出发,经过一维计算,可控涡设计及参数化建模,得到初始叶型,利用商业软件CFX进行数值计算并修正设计结果,得到接近设计要求的原始叶型,并对原始叶型设计工况下的叁维流场进行分析,发现动叶的两端壁附近存在高损失区,分别对应上、下通道涡,且下通道涡强度较强,控制范围较大。针对动叶根部流动较差的情况,对设计出的风力涡轮进行了相应的改型研究,分别在静叶前缘倾角、动叶轴向弦长、动叶根部掠角、动叶周向倾斜以及静叶根部弯曲五个方面进行改型研究,得到不同改型结构对风力涡轮性能的影响。依据改型研究的结果,本文提出最终的风力涡轮级叶片改型方案,并利用UG参数化设计出波瓣混合器几何结构,对改型前后的风力涡轮进行了带波瓣混合器的数值计算,对比分析结果表明改型后的叶片效率有所降低,但流量更大,功率更大,满足了设计要求。随后,本文对提出的风力涡轮模型中的流向涡与正交涡的产生及发展进行了相关分析,发现流向涡是由波瓣壁面两侧的反向压力梯度引起的,正交涡是由内外涵轴向速度差引起的。最后,进行了有无波瓣混合器的对比分析,结果表明波瓣混合器能构造出强的流向涡与正交涡,进而降低动叶出口静压,提高风力涡轮整体流量及功率。
韩万龙[5]2016年在《低速引射式风力涡轮气动设计及优化》文中指出21世纪将是一个人类文明飞速发展的世纪,人类对能源的追求将逐渐从传统化石能源转向清洁的安全可靠的绿色能源,以改善和保护人类赖以生存的环境。低速风能具有总储量大、清洁环保、分布广泛的优点,如果能开发一种新型高效环保的风力涡轮利用上述低速风能发电,必将改善人类的能源结构。但低速风能也有能量品位低、能量密度低、湍动度高和利用难度高的缺点,新型涡轮必然要很好的解决上述问题。为此,本文借鉴航空涡扇发动机喷管引射技术,提出采用引射效应、端部扩张效应和涡轮级理论设计一种低速引射式风力涡轮,开展如下几个方面的研究工作:从最大可用能的角度,建立风力涡轮级模型、具有端部扩张效应的涡轮级模型和引射式风力涡轮模型,建立引射式风力涡轮的各位置处的气动参数计算方法。基于此方法,给出风力涡轮级和引射器相互匹配的设计点参数。依托传统涡轮级的一维设计方法和传统风力涡轮的叶素-动量理论,建立针对具有径向焓降变化大、极小径高比特征的风力涡轮级的压力可控涡-叶素组准叁维设计方法,结合遗传算法和叁维CFD数值仿真技术,实现风力涡轮级叶型准叁维优化设计、叁维叶型的构建和修正。针对风力涡轮引射器的工作特点,建立具有端部扩张效应的等内涵道扩张比的新型低速风力波瓣引射器的计算方法,给出了基于UG NX软件的叁维造型方案。为了选取适用于本文低速引射式风力涡轮流场预测的数值方法,采用与本文研究对象相近雷诺数工作点的低速涡轮环形叶栅静态试验数据和波瓣引射器PIV试验数据做对照,经过多种数值计算方法研究验证,采用ANSYS CFX商业软件及基于RANS方程与sst湍流模型的数值方法,可以准确预测涡轮叶栅内的流动和引射器内外流场的气动和引射性能。采用上述数值方法研究引射式风力涡轮的多工况的功率输出性能,分析设计点的叶栅内部流动、引射器混合管内的混合流动和风力涡轮外流场的气动性能,研究波瓣后侧的流向涡和正交涡的形成、发展及耗散规律,阐述内外涵道流体在混合管内的引射机理,指出在流向涡和正交涡及叁个大尺度涡系结构共同产生的引射作用下,外涵道流体泵抽内涵道低能流体,在涡轮转子后侧沿整个叶高方向产生了真空度,提高涡轮内涵道的通流能力和单位质量气体焓降,是此结构风力涡轮高效利用低速风能的根本原因,证明采用涡轮级+风力引射器方案设计低速风力涡轮的合理性。为优化引射器的气动和引射性能,分析同风速不同转速时引射式风力涡轮的出口气流角对风力引射器性能的影响,以及深入探索在引射式涡轮总体设计方案中是否存在涡轮出口气流角与引射器性能的最佳匹配问题,研究引射器内涵道上游预旋角度从0°至30°变化对引射性能和流场气动性能的影响。研究显示,波瓣后的流向和正交涡量的总体水平下降,引射器内涵道总压损失升高;当夹角大于10°,外流场中涡系结构逐渐失稳,风力引射器的气动和引射性能明显下降。上述研究解释引射式风力涡轮的性能优于传统叁叶引射式风力涡轮的原因。同时也证明在涡轮级一维和准叁维设计中,应尽可能确保涡轮级实际出口气流沿轴向出气。确定几何参数为引射性能的主要影响因素后,提出一种基于波瓣仰角、俯角、轴向长度和宽度四个参数快速设计风力引射器的参数化方法,基于一次回归正交设计、最速上升法、多元非线性回归分析方法和CFD技术,开展风力引射器波瓣结构的优化,使涡轮级的输出功率在原基础上提升6.14~7.45%,内涵道流量和引射能力提升约2%,实现2~6m/s低风速来流的风力利用系数在0.711~0.776范围。采用多个低风速风场数据计算优化后引射式风力涡轮的年发电量,指出结构优化后的年发电量约为相同转子面积的传统风力涡轮的3~4倍,对高湍动度流场具有良好的适应性,更加高效、低噪声和环保。
包能胜, 霍福鹏, 叶枝全, 倪维斗[6]2005年在《表面粗糙度对风力机翼型性能的影响》文中指出讨论了风力机专用叶片上局部增加表面粗糙度,在不同分布位置、不同当量大小的条件下对叶片气动 性能影响的实验研究。首先,探讨了叶型表面粗糙度的形成机理和对气动性能影响的初步原理。其次,设计了 在风洞实现局部增加表面粗糙度对翼型性能影响的实验条件和实验方案。最后,对风力机专用叶型进行的叶片 表面局部增加粗糙度的风洞实验,结果证明了在叶片压力面尾缘通过适当增加一定宽度、一定粗糙度的粗糙带 可以增大叶片的有效升力系数。
刘虎平[7]2005年在《风力机叶片设计和颤振分析》文中认为叶片是风力机最重要的部件之一,设计良好的叶片是风力机获得较高风能利用系数和较大经济效益的基础。本文应用Schmitz理论设计了600KW水平轴风力机叶片,分析了该风力机叶片在非设计点的气动性能。在此基础上,建立了失速型和变距型风力机模型和相应的控制策略,分析和对比了在相同的工作条件下其各自的性能特征。结果表明,变距型风力机不仅在低风速时有较高的风能利用系数,而且在高风速时功率输出稳定,并显着的改善了风力机叶片和传动链的受力状况。 叶片也是风力机受力最为复杂的部件。风力机运行中,叶片受气动力、弹性力和惯性力的耦合作用,以及其展向长、弦向短、刚度小等结构特点,使得叶片易发生颤振,从而导致风力机叶片毁坏。因此,叶片的气动弹性稳定性问题也是风力机设计的主要内容之一。本文把风力机叶片简化为悬臂梁,导出了叶片的运动微分方程和流/构耦合条件下弯扭振动时系统气动刚度和气动阻尼的表达式,建立了叶片气动弹性稳定性的分析方法。用该方法分析了本文设计的600KW水平轴风力机叶片气动弹性稳定性,讨论了气动扭矩对叶片稳定性的影响;并通过龙格—库塔方法求解叶片的运动规律,对上述分析方法进行验证。结果表明:(1)叶片气动弹性稳定性的分析方法可以正确和有效的分析叶片的气动弹性稳定性;(2)气动扭矩对叶片的气动弹性稳定性有较大的影响。在稳定性分析过程中,不能予以忽略。
章嘉麟[8]2009年在《基于并行遗传算法的叶轮机叶片优化设计》文中提出叶轮机械应用范围极广,在国民经济建设的各个领域内都扮演着重要的角色。叶片作为叶轮机械的关键部分,它的造型好坏很大程度上影响着叶轮机的气动性能。本文针对叶轮机械叶片的气动优化方法进行了研究,在课题组工作基础上,综合粘性体积力计算方法、商用CFD软件、多层参数化造型方法以及并行遗传算法,对叶轮机械的叶片进行自动优化设计。本文主要分为以下四个部分:第一部分,研制基于叶素—动量理论的风力机叁维气动性能计算程序,并引入各种修正因子和失速模型,提高程序预测精度。第二部分,针对低风速风力机的叶片设计研究,进行了初步的尝试。首先建立初始叶片造型,然后采用遗传算法在基于叶素-动量理论计算的基础上对叶片的弦长和安装角进行优化,最后完成优化风轮的叁维造型,并采用CFD方法对设计点进行深入分析验证。数值研究的结果证明,优化后得到的风力机叶片在低风速下具备较好的气动性能。第叁部分针对工业上使用的大型冷却风机,对整机进行数值模拟,在确保较高的模拟精度的前提下,对风机叶片所采用的翼型以提高不同攻角下的升阻比为目标进行优化,并将优化结果应用于实际工程。第四部分在风扇/压气机叶片优化方面,对多层参数化方法进行了改进,将多层参数化、遗传算法、流场计算有机的耦合到翼型和叶片的优化设计中,提高了优化效率。通过测试算例得到了一些有价值的结论,并证明了该优化方法的可行性,高效性,为今后开展更深层次的研究打下基础。
陈建, 张周周, 徐洪涛, 刘鹏玮[9]2017年在《阻力型垂直轴风力机叶型研究现状》文中认为阻力型垂直轴风力机因其结构简单、自启动性能好、噪音小、不易磨损等优点而受关注,将其与建筑结合用于节能也得到了越来越多的研究。阻力型垂直轴风力机的叶型是影响其性能的重要因素,合适的叶型不但能提高阻力型垂直轴风力机的功率系数,还能改善其气动特性。详细概述了国内外阻力型垂直轴风力机叶型的相关信息,根据几何参数的不同进行了分类、总结,旨在为阻力型垂直轴风力机叶型的优化设计提供一定的参考。
陈永康[10]2009年在《水平轴风力机叶片的翼型气动特性研究》文中研究表明水平轴风力机是当前应用最有效的风力发电装置,为了提高风力机的风能利用效率,缩短叶片的研发周期,本文对水平轴风力机叶片的气动特性进行了系统研究,并提出改进翼型的构造措施。首先采用计算流体力学软件-Fluent,对水平轴风力机某翼型进行了数值模拟,模拟结果与实验数据进行了比较,找出了适合风力机模拟的湍流模型。其次对传统水平轴风力机使用较多的NACA系列翼型进行数值模拟,得出该翼型的气动特性,以及翼型几何参数对气动性能的影响,然后计算了翼型添加Gurney襟翼和不同角度襟翼时的升阻力特性。数值模拟结果表明,在风力机翼型尾部添加襟翼,均能够提高翼型的最大升力系数和升阻比,而Gurney襟翼的增升效果与其高度密切相关。第叁,根据影响风力机气动特性的因素对NACA74-315翼型进行改型,并对原型和4种改型翼型进行数值模拟,结果表明在所计算的各迎角、各风速下,改型后升阻比都得到明显提高,尤其是尖尾缘改型的升力系数和升阻比最大。最后文中还着重总结了动量-叶素理论方法,这种方法在动量理论和叶素理论设计方法的基础上发展而成。动量-叶素理论方法在进行叶片外型设计和叶片气动特性计算都涉及到干涉因子,文中重点对设计和计算情况下的干涉因子进行处理,并引入叶尖修正因子模型进行修正,从而建立叶片气动性能计算模型。选择NACA74-315翼型和尖尾缘改型这两种型并由此来设计叶片的外型和进行气动特性的比较,得出尖尾缘改型的气动性能要优于NACA74-315翼型的结论。
参考文献：
[1]. 提高风力机叶型气动性能的研究[D]. 唐进. 清华大学. 2004
[2]. 改善风力机叶型气动性能的数值研究[D]. 唐晨. 东北电力大学. 2016
[3]. 叶轮机械流场计算与任意回转面叶型设计[D]. 徐夏. 南京航空航天大学. 2011
[4]. 低速风力涡轮级叶片与波瓣混合器的改型设计[D]. 李会轩. 哈尔滨工业大学. 2016
[5]. 低速引射式风力涡轮气动设计及优化[D]. 韩万龙. 哈尔滨工业大学. 2016
[6]. 表面粗糙度对风力机翼型性能的影响[J]. 包能胜, 霍福鹏, 叶枝全, 倪维斗. 太阳能学报. 2005
[7]. 风力机叶片设计和颤振分析[D]. 刘虎平. 西北工业大学. 2005
[8]. 基于并行遗传算法的叶轮机叶片优化设计[D]. 章嘉麟. 南京航空航天大学. 2009
[9]. 阻力型垂直轴风力机叶型研究现状[J]. 陈建, 张周周, 徐洪涛, 刘鹏玮. 能源工程. 2017
[10]. 水平轴风力机叶片的翼型气动特性研究[D]. 陈永康. 哈尔滨工业大学. 2009